基于正交試驗的溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性研究

彭剛

（山西省交通科學研究院黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室，山西 太原030006）

基于正交試驗的溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性研究

彭剛

（山西省交通科學研究院黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室，山西 太原030006）

為了研究膠粉摻量、溫拌劑摻量、攪拌溫度及攪拌時間4個制備參數(shù)對溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性的影響，設計4因素3水平正交試驗。通過膠結料離析試驗得到溫拌橡膠瀝青軟化點的差值，對不同制備參數(shù)下溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性進行研究。試驗結果表明：各制備參數(shù)對溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性的影響程度大小排序為：溫拌劑摻量＞膠粉摻量＞攪拌時間＞攪拌溫度。溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性隨膠粉摻量和溫拌劑摻量的增加而降低。在生產(chǎn)溫拌橡膠瀝青時膠粉摻量和溫拌劑摻量不宜過大以防產(chǎn)生較嚴重的離析，攪拌時間在60 min左右為宜以保證膠粉充分溶脹，攪拌溫度不宜過高以防止瀝青過度老化。

橡膠瀝青；溫拌劑；穩(wěn)定性；制備參數(shù)；正交試驗

摻加橡膠瀝青的路面具有良好的高低溫性能、抗水損害能力、抗老化性能和抗疲勞性能［1］，然而由于橡膠瀝青的高粘度導致攤鋪現(xiàn)場施工困難，及混合料的施工溫度提高導致施工期間的排放問題也更為突出［2］，這些弊病限制了橡膠瀝青在路面中的應用。而溫拌技術則恰好具有在保證混合料品質(zhì)的前提下，降低施工溫度進而降低排放的特點［3］。因此，研究溫拌技術在橡膠瀝青路面中的應用，將會在確保工程質(zhì)量的同時對廢輪胎粉的應用產(chǎn)生積極地影響。橡膠粉與基質(zhì)瀝青相容性不良導致制備出的橡膠瀝青存儲穩(wěn)定性較差是制約橡膠瀝青發(fā)展的又一難題［4］，特別是引入溫拌技術后，溫拌橡膠瀝青在施工溫度下的粘度進一步降低，導致膠粉在基質(zhì)瀝青中更容易發(fā)生離析，從而對橡膠瀝青的性能及實際應用產(chǎn)生較大影響。研究不同制備參數(shù)對橡膠瀝青穩(wěn)定性的影響，并基于穩(wěn)定性評價指標來指導溫拌橡膠瀝青的生產(chǎn)具有重要意義。采用4因素3水平的正交試驗方案，對溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性在各項因素影響下的變化趨勢以及受各項因素的影響程度進行研究，并基于穩(wěn)定性指標對溫拌橡膠瀝青制備工藝進行優(yōu)化。

1 原材料性能檢測

1.1 基質(zhì)瀝青

本課題采用中海AH-70#重交通瀝青作為基質(zhì)瀝青。按《JTG E20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的要求對基質(zhì)瀝青進行了測試，其各項技術指標均符合道路石油瀝青的技術指標要求。

1.2 橡膠粉

根據(jù)相關研究，貨車輪胎對瀝青改性效果更好［5］，這是因為貨車輪胎膠粉中含有較多的天然橡膠和對瀝青有顯著改性作用的丁苯膠。因此選用膠粉為30目貨車輪胎膠粉，將廢舊輪胎在常溫下經(jīng)過粉碎、分離、除金屬、篩選等活化和脫硫等一系列工序處理制成的黑色粉末狀物質(zhì)，其性能指標見表1和表2。

表1 廢舊膠粉物理技術指標Tab.1 The physical index of crumb rubber

表2 廢舊膠粉化學技術指標Tab.2 Rubber chemical index

1.3 溫拌劑

根據(jù)對國內(nèi)溫拌技術應用情況的市場調(diào)研，國內(nèi)主要采用有機蠟類及化學溫拌技術，本文選擇sasobit溫拌劑為本文所用的溫拌劑。sasobit是一種飽和碳氫化合物的混合物，同時也可作為一種聚烯烴類的瀝青改性劑，熔點約為100℃，25℃的密度為0.94 g·cm-3，在溫度超過135℃時，可以完全溶解于瀝青膠結料中，具有減低瀝青膠結料粘度的作用［6］，其對普通石油瀝青混合料的降溫幅度為10～30℃，而對于改性瀝青混合料的降溫幅度可達20～40℃。在使用時可直接加入熱瀝青膠結料中，經(jīng)過簡單攪拌即可得到溫拌改性瀝青。

2 橡膠瀝青穩(wěn)定性評價指標

本文根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）中聚合物改性瀝青離析試驗方法來評價橡膠瀝青的穩(wěn)定性［7］。JTG E20-2011規(guī)范通過離析指標評價改性瀝青的穩(wěn)定性，具體試驗方法是將制備好的改性瀝青倒入鋁管中，然后將鋁管立于（163±5）℃烘箱中靜置48 h，再將鋁管放入冰箱冷卻，至改性瀝青全部凝為固體時取出鋁管并將其平均剪成3段，取頂部和底部的1/3段試樣分別進行軟化點檢測，取其軟化點差值作為離析程度的評價指標。

3 正交試驗設計

3.1 影響因素選擇

橡膠瀝青生產(chǎn)在技術比較成熟的國家或地區(qū)都有各自的要求，表3為不同國家或地區(qū)的一些工藝參數(shù)［8］。

通過對幾個地區(qū)橡膠瀝青生產(chǎn)工藝的比較可以發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)對橡膠瀝青制備時的攪拌方式和攪拌速率均無硬性要求，但是對攪拌溫度和攪拌時間的要求差別過大。因此，選定膠粉摻量、溫拌劑摻量、攪拌溫度及攪拌時間作為制備橡膠瀝青時的影響因素進行研究。根據(jù)相關研究成果并結合交通部公路科學研究院的橡膠瀝青應用技術指南和美國ASTM規(guī)范（D6114-09）的相關規(guī)定［9］，選取的各項因素的水平如下，膠粉摻量:17%，20%，23%；溫拌劑摻量:1%，2%，3%；攪拌溫度:180，195，210℃；攪拌時間:45，60，75 min。

表3 不同地區(qū)橡膠瀝青生產(chǎn)工藝Tab.3 Production process of rubber asphalt in different regions

3.2 試驗方案設計

為揭示制備過程中膠粉摻量、溫拌劑摻量、攪拌溫度及攪拌時間對橡膠瀝青結合料穩(wěn)定性的影響，本文采用正交試驗對此4項因素進行研究，以在不同組合方式中尋求理想組合條件，根據(jù)正交試驗設計方法所得L9（34）正交試驗如表4所示。

表4 正交試驗表Tab.4 Table of orthogonal test

4 試驗結果及分析

4.1 試驗結果

按表4試驗安排進行橡膠瀝青制樣并通過離析試驗測定其穩(wěn)定性，共進行9組試驗。試驗結果如表5所示。

表5 溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性正交試驗結果Tab.5 Results of orthogonal test for stability of warm mix rubber asphalt

由試驗結果可知，溫拌橡膠瀝青經(jīng)過離析試驗后，軟化點差均不滿足JTG F40-2004規(guī)范中規(guī)定的SBS改性瀝青穩(wěn)定性指標合格標準（軟化點差不大于2.5℃），由此可知橡膠瀝青較普通的聚合物改性瀝青更易產(chǎn)生離析，故在實際應用中要對橡膠瀝青的穩(wěn)定性加以足夠重視，以防影響橡膠瀝青混合料的路用性能。

4.2 方差分析

通過方差分析可以判斷各因素對試驗結果影響是否顯著及其顯著性水平。本文正交設計表中無空白列，因此選擇方差最小的一列作為誤差所在列進行方差分析，取F分布顯著性水平分別為0.1，0.05及0.01，查概率統(tǒng)計F分布表得F1-0.1=9.0，F(xiàn)1-0.05=19.0，F(xiàn)1-0.01=99.0，若某因素試驗結果的F值大于99，則認為該因素對試驗結果的影響是高度顯著的，用※※※表示；若某因素試驗結果的F值大于19而小于99，則認為該因素對試驗結果的影響是比較顯著的，用※※表示；若某因素試驗結果的F值大于9而小于19，則認為該因素對試驗結果有一定影響，但并不顯著，用※表示；若某因素試驗結果的F值小于9，則認為該因素對試驗結果的影響幾乎沒有影響。試驗結果的方差分析如表6所示。

表6 溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性方差分析結果Tab.6 Analysis result of stability variance of warm mix rubber asphalt

由方差分析結果可以看出，在本研究的試驗條件范圍內(nèi)，溫拌劑摻量對溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性的影響最為顯著，其次是膠粉摻量，而攪拌時間對溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性有一定的影響，但并不顯著，攪拌溫度對試驗結果幾乎沒有影響。生產(chǎn)溫拌橡膠瀝青時，在不影響其使用品質(zhì)的前提下應盡量控制溫拌劑及膠粉用量，以防產(chǎn)生較為嚴重的離析。攪拌溫度可適當降低、攪拌時間可適當縮短以防止基質(zhì)瀝青過度老化而影響溫拌橡膠瀝青混合料的路用性能。各制備參數(shù)對溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性影響程度由大到小排序為:溫拌劑摻量＞膠粉摻量＞攪拌時間＞攪拌溫度。

通過正交試驗方差分析可知，膠粉摻量及溫拌劑摻量對溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性影響較大，下面將對這兩個因素對溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性的影響作單因素分析。

4.3 膠粉摻量及溫拌劑摻量對溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性影響

對不同膠粉摻量和溫拌劑摻量下的溫拌橡膠瀝青進行12，24，36 h和48 h的離析試驗，選擇膠粉摻量為單因素變量時，溫拌橡膠瀝青的溫拌劑摻量定為2%，攪拌溫度為195℃，攪拌時間為60 min。選擇溫拌劑摻量為單因素變量時，溫拌橡膠瀝青的膠粉摻量定為20%，攪拌溫度195℃，攪拌時間60 min。試驗結果如表7及圖1，圖2所示。

圖1 軟化點差隨膠粉摻量變化規(guī)律Fig.1 Change of softening point with different rubber content

圖2 軟化點差隨溫拌劑摻量變化規(guī)律Fig.2 Change of softening point with different warm mix additives content

表7 不同膠粉摻量及溫拌劑摻量下溫拌橡膠瀝青離析試驗結果Tab.7 Segregation test results of warm mix rubber asphalt with different rubber content and different warm mix additives content

由圖1可以看出，溫拌橡膠瀝青的軟化點差值隨膠粉摻量的增加而增大，且膠粉摻量為23%的溫拌橡膠瀝青軟化點差值明顯高于膠粉摻量為17%和20%的溫拌橡膠瀝青。這是因為在試驗條件范圍內(nèi)，當膠粉摻量較少時（≤20%），大部分膠粉顆粒在高速剪切作用下均與基質(zhì)瀝青發(fā)生了溶脹反應，使得整個橡膠瀝青處于勻質(zhì)狀態(tài)，不易產(chǎn)生離析。隨著膠粉摻量增大（≥23%），橡膠瀝青中溶脹的膠粉顆粒逐漸趨于飽和，越來越多的膠粉顆粒離散分布于橡膠瀝青中，并與瀝青膠團相吸附，當停止攪拌后在重力作用下不斷向鋁管底部聚集，而瀝青中的輕質(zhì)組分上浮，從而導致橡膠瀝青產(chǎn)生較為嚴重的分層離析。建議在制備溫拌橡膠瀝青時，膠粉摻量不宜過高；若膠粉的摻入量須超過23%，要保證貯存溫拌橡膠瀝青的保溫罐具備攪拌功能并保持攪拌，以防膠結料產(chǎn)生較為嚴重的離析。此外，離析鋁管中上下部瀝青軟化點的平均值可以反映出鋁管中瀝青軟化點的整體情況。由表7可以看出，隨著膠粉摻量的增加，溫拌橡膠瀝青軟化點增加，表明膠粉摻量增加可提高溫拌橡膠瀝青的高溫性能。

由圖2可以看出，溫拌橡膠瀝青的軟化點差隨溫拌劑摻量的增大而增大，說明溫拌劑的摻加會對溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性造成不良影響，這是因為sasobit溫拌劑的主要成分為飽和碳氫化合物的混合物，溫拌劑的加入可以鎖定瀝青當中的飽和組分，降低基質(zhì)瀝青高溫下的粘度，進而增大基質(zhì)瀝青的流動性，使得膠粉更易發(fā)生沉淀。因此在制備溫拌橡膠瀝青時，溫拌劑摻量也應控制在適當范圍內(nèi)以防溫拌橡膠瀝青產(chǎn)生嚴重離析。由圖2還可看出，隨著溫拌劑摻量的增加，溫拌橡膠瀝青上下部軟化點平均值也隨之增大，表明在橡膠瀝青中加入sasobit溫拌劑可提高橡膠瀝青膠結料的高溫性能。

由圖1、圖2還可以看出，溫拌橡膠瀝青的高溫條件下存貯過程是一個動態(tài)的過程，貯存開始階段，離析速度較快，隨著貯存時間的延長，膠粉顆粒在鋁管底部的逐漸聚集，溫拌橡膠瀝青軟化點差值變化幅度逐漸減小，離析速度放緩，溫拌橡膠瀝青趨向穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結論

1）溫拌橡膠瀝青在高溫條件下會產(chǎn)生程度較為嚴重的離析；各制備參數(shù)溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性影響程度大小排序為:溫拌劑摻量＞膠粉摻量＞攪拌時間＞攪拌溫度；在實際生產(chǎn)時，膠粉及溫拌劑摻量不宜過多以免產(chǎn)生嚴重離析；可適當縮短攪拌時間及降低攪拌溫度以防瀝青過度老化。

2）膠粉摻量的增加會導致溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性降低，膠粉摻量為23%的溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性要明顯低于膠粉摻量為15%和20%的溫拌橡膠瀝青。

3）溫拌劑摻量的增加會導致溫拌橡膠瀝青穩(wěn)定性降低，在制備溫拌橡膠瀝青時，膠粉摻量不宜超過20%。

［1］王麗麗，楊泉華，呂錫坤.廢胎膠粉摻量對橡膠瀝青及混合料性能的影響分析［J］.現(xiàn)代交通技術，2010，7（3）:15-17.

［2］劉少鵬，黃衛(wèi)東，紀淑貞.摻加纖維對橡膠瀝青混合料疲勞性能的影響［J］.華東交通大學學報，2014，31（5）:6-11.

［3］何亮，凌天清，馬育，等.溫拌橡膠瀝青寬路用溫度域流變特性［J］.交通運輸工程學報，2015，15（1）:1-8.

［4］劉子興，常立峰.橡膠瀝青性能試驗及影響因素分析［J］.公路交通技術，2011，4（2）:30-34.

［5］賀曉強.橡膠瀝青應力吸收層在路面改造工程中的應用［J］.山西交通科技，2015（2）:38-40.

［6］曹少謙.熱拌與溫拌瀝青混合料性能對比試驗研究［J］.山西交通科技，2011（2）:3-5.

［7］交通運輸部公路科學研究院.JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［8］HAIFENG NI.Application of asphalt rubber technology to recreational trails［D］.Denver:University of Denver，2003.

［9］ASTM D6114-09，Standard specification for asphalt-rubber binder［S］.USA:American Society of Testing Materials，2002.

Study on Stability of Rubberized Warm Asphalt Based on Orthogonal Experiment

Peng Gang
（Key Laboratory of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region of the Ministry of Transport，Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan 030006，China）

In order to probe into the effects of four preparation parameters including rubber powder dosage，warm mix additives dosage，stirring temperature and stirring time on rubberized warm asphalt stability，this study designs the orthogonal experiment of 4 factors and 3 levels.By asphalt binder separation test，it obtains the difference of rubberized warm asphalt softening point and compares the stability of different preparation parameters of rubberized warm asphalt.Test results show that the influence degree of preparation parameters on warm mix asphalt rubber stability is in the following order:warm mix additives dosage＞powder dosage＞stirring time＞stirring temperature.Warm mix asphalt rubber stability decreases with the increase of crumb rubber amount and warm mix additives amount.In the production of warm mix asphalt rubber，crumb rubber amount and warm mix additives volume should not be too large in case of causing serious segregation.It concludes also that stirring time for about 60 minutes is appropriate to ensure powder fully swelling and the stirring temperature should not be too high in case of asphalt over aging.

rubberized warm asphalt；warm mix additives；stability；preparation parameter；orthogonal experiment

U414

A

1005-0523（2016）05-0012-06

（責任編輯 姜紅貴 李 萍）

2016－03－28

國家自然科學基金項目（51308329）；山西省青年科技研究基金項目（2015021115）

彭剛（1988—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向為路面工程。